DE4419564B4

DE4419564B4 - Plattenwärmerohr

Info

Publication number: DE4419564B4
Application number: DE4419564A
Authority: DE
Inventors: Hisateru Sagamihara Akachi
Original assignee: Actronics KK
Current assignee: TS Heatronics Co Ltd
Priority date: 1993-08-24
Filing date: 1994-06-03
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2014-06-04
Also published as: JP2544701B2; DE4419564A1; GB9406246D0; JPH0763487A; GB2281388A; GB2281388A8; GB2281388B

Abstract

Plattenwärmerohr, mit
einer ersten Platte (1-1), die eine mit einer Ausnehmung (2) ausgebildete Seite besitzt, um einen kontinuierlichen Kanal in der ersten Platte (1-1) zu bilden, wobei die Ausnehmung (2) eine Mehrzahl von geraden Bereichen besitzt, die parallel zueinander angeordnet sind, und eine Mehrzahl von Umkehrbögen aufweist,
einer zweiten Platte (1-2), die eine mit einer Ausnehmung (2) ausgebildete Seite besitzt, um einen kontinuierlichen Kanal in der zweiten Platte (1-2) zu bilden, wobei die Ausnehmung (2) eine Mehrzahl von geraden Bereichen besitzt, die parallel zueinander angeordnet sind, und eine Mehrzahl von Umkehrbögen aufweist,
einer dritten, flachen Platte (3), die zwischen der ersten Platte (1-1) und der zweiten Platte (1-2) angeordnet ist, wobei die Ausnehmung (2) der ersten Platte (1-1) und die Ausnehmung (2) der zweiten Platte (1-2) zu der dritten, flachen Platte 3) weisen, so dass zwei Tunnels (4) gebildet werden, in denen ein Arbeitsfluid aufgenommen ist, und...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Plattenwärmerohr gemäß dem Patentanspruch 1.
Verschiedene Arten von Plattenwärmerohren sind in den letzten Jahren vorgeschlagen worden. Ein solches Plattenwärmerohr weist ein schlangenartig gewundenes Rohr mit dünnem Durchmesser auf, das durch zwei Platten gehalten wird. Wie die 3 und 4 zeigen, wird ein gewundenes Rohr 8 mit einem dünnen Durchmesser durch zwei Metallplatten 3-3, 3-4 gehalten und luftdicht durch einen Füller oder ein Lötmittel 10 festgelegt. Das gewundene Rohr 8 mit dünnem Durchmesser kann schleifenförmig verlaufen, wie dies in 4 dargestellt ist, oder es kann nicht-schleifenförmig verlaufen. Ein Abstandsteil 9 ist dazu angeordnet, um zu verhindern, daß Lötmittel 10 beim Verlöten herausfließt.
Das gewundene Rohr 8 mit dünnem Durchmesser ist sehr dünn, d.h. 2 mm im Außendurchmesser und 1,2 mm im Innendurchmesser, das eine hohe Druckdehnfestigkeit besitzt. Wenn es aus reinem Kupfer oder Aluminium hergestellt ist, besitzt das gewundene Rohr 8 mit dünnem Durchmesser eine Stärke, die leicht einem Innendruck von 100 kg/cm² oder mehr standhalten kann, was zu einer Verringerung in der Dicke der Heizplatte führt.

Es sind drei Plattenwärmerohre mit einem gewundenen Rohr mit kleinem Durchmesser bekannt:

I) Plattenwärmerohr mit einem schleifenförmig verlaufenden Rohr mit kleinem Durchmesser, das eine Mehrzahl von Rückschlag- bzw. Absperrventilen besitzt (siehe zum Beispiel JP-A 63-318493),
II) Plattenwärmerohr mit einem schleifenförmig verlaufenden Rohr mit dünnem Durchmesser ohne irgendein Absperrventil (zum Beispiel JP-A-4-190090), und
III) Mikro-Wärmerohr (siehe zum Beispiel JP-A 4-251189).

Die vorstehenden drei Plattenwärmerohre sind dahingehend vorteilhaft, eine Charakteristik zu bieten, um aktiv in irgendeiner Anwendungsposition zu arbeiten.

Allerdings besitzen solche bekannten Plattenwärmerohre die nachfolgenden Unzulänglichkeiten:

1) Verbesserung der Leistungsfähigkeit ohne Erhöhung der Dicke. Ein Experiment zeigt, daß die Leistung des gewundenen Wärmerohrs vom Typ mit kleinem Durchmesser mit einer Erhöhung der Anzahl der Windungen des Rohrs in derselben Ebene erhöht wird und daß 30 Windungen oder mehr des Rohrs in einer Breite von 100 mm für einen guten Betrieb in dem Spitzen-Heizmodus, ohne einen großen Leistungsunterschied zu dem Grundheizmodus, benötigt werden. Allerdings ist es bekannt, daß ein Krümmungsradius eines schlangenartig gewundenen Rohrs mit kleinem Durchmesser eine minimale Grenze besitzt. Zum Beispiel ist mit einem reinen Kupferrohr die minimale Grenze in der Größe von 1,5 mal so groß wieder Durchmesser des Rohrs. Wenn der Krümmungsradius des Rohrs unter die Grenze verringert wird, wird das Rohr gefaltet und nicht gekrümmt,. Beispielsweise sollte, um ein Rohr mit 3 mm Außendurchmesser in eine Breite von 100 mm einzulegen, das Rohr unter einer Teilungsrate von 9 mm angeordnet werden, und demzufolge liegt die maximale Anzahl der Windungen des Rohrs in der Größenordnung von 11. Es ist verständlich, daß für ausgezeichnete Eigenschaften unabhängig von der Anwendungsstellung die Wärmeplatte drei schlangenartig gewundene Rohre mit kleinem Durchmesser umfassen sollte. Dies bedeutet, daß die minimale Grenze der Dicke der Wärmeplatte in der Größe von 13 mm liegt und daß Leistung verloren geht, wenn eine dünnere Wärmeplatte aufgebaut wird.
2) Verringerung in Größe und Gewicht. Es ist notwendig, Maßnahmen für eine weitere Verringerung in Größe und Gewicht der Heizplatte unter Berücksichtigung der Größe und des Gewichts des gewundenen Rohrs mit kleinem Durchmesser selbst vorzunehmen.
3) Verringerung im Kontaktwärmewiderstand. Für eine weitere Verbesserung der Leistung ist es erwünscht, einen Kontaktwärmewiderstand zwischen dem schlangenartig gewundenen Rohr mit kleinem Durchmesser und den haltenden Metallplatten zu verringern. Das gewundene Rohr mit kleinem Durchmesser berührt die Metallplatten in einer geradlinigen Weise oder in einer Weise mit einer unterbrochenen Linie. Der Füller oder das Lötmittel zur Verringerung des Kontaktwärmewiderstands bewirkt ein Ansteigen des Gewichts der Wärmeplatte und eine Verringerung der Wärmeansprecheigenschaft davon.
4) Kostenreduzierung durch Mechanisierung und Automatisation. Die Arbeit des Biegens eines Rohrs mit kleinem Durchmesser, um einen kleinen Krümmungsradius und eine Vielzahl von Windungen zu erhalten, und die genaue Anordnung der Mehrzahl der Windungen des Rohrs zwischen den Metallplatten zum Verlöten ist nicht einfach durchzuführen, wozu eine schwierige manuelle Arbeit in einer Hochtemperaturumgebung notwendig ist. Demzufolge ist es schwierig, eine Massenproduktion vorzunehmen, was unvermeidbar zu einer Kostenerhöhung führt. Aufgrund hiervon wird das Plattenwärmerohr nicht allgemein entwickelt, mit Ausnahme desjenigen für eine spezielle Verwendung. Eine Kostenreduktion durch Mechanisierung und Automatisation der Herstellung des Plattenwärmerohrs wird notwendig und dringlich.

Aus der JP 03-273669 A ist ein Plattenwärmerohr mit zwei aufeinanderliegenden Platten bekannt, die halbkreisförmige, mäanderförmig gewundene Ausnehmungen aufweisen, die im zusammengesetzten Zustand der Platten zueinander korrespondieren. Die Ausnehmungen dienen zur Aufnahme eines Arbeitsfluids.

Aus der GB 1388937 ist eine Wärmeübertragungsstruktur bekannt, die in Beton eingebettete, übereinander angeordnete Röhren aufweist, die über ein U-förmiges Verbindungsstück miteinander verbindbar sind.

In der US 5,179,500 A ist ein Plattenwärmerohr mit zwei aufeinanderliegenden Platten offenbart, die Nuten aufweisen, die so ausgebildet sind, daß sie im montierten Zustand einen Tunnel mit einer Vielzahl von Windungen zur Aufnahme eines Arbeitsfluids bilden. Die Nuten werden mittels Druckgießen oder eines spanabhebenden Fertigungsverfahrens hergestellt.

Aus der JP 02-103957 A ist eine Kühlvorrichtung mit Rohren bekannt, die kreuzweise übereinanderliegend angeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Plattenwärmerohr zu schaffen, das bei einfachem Aufbau gute Wärmeübertragungseigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Dabei umfasst ein Plattenwärmerohr eine erste Platte, die eine mit einer Ausnehmung ausgebildete Seite besitzt, eine zweite Platte, die eine mit einer Ausnehmung ausgebildete Seite besitzt und eine dritte, flache Platte, die zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte so angeordnet ist, daß die Ausnehmungen der ersten und. zweiten Platte zwei Tunnels bilden, in denen ein Arbeitsfluid aufgenommen ist. In der dritten Platte ist eine Durchgangsöffnung zur Schaffung einer fluidmäßigen Verbindung zwischen den Tunnels vorgesehen. Da für jede Platte ein Tunnel gebildet ist, in dem das Arbeitsfluid angeordnet ist, und die beiden Tunnel über eine Durchgangsöffnung in einer die beiden Platten trennenden, flachen Platte miteinander verbunden sind, können beide Seiten des Plattenwärmerohrs gleichzeitig und mit gleicher Intensität erwärmt bzw. gekühlt werden. Das solcherart ausgebildete Plattenwärmerohr ist kompakt ausgebildet und ist einfach herstellbar.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Es zeigen:
1 einen Querschnitt, der ein Beispiel einer ersten, bevorzugten Ausführungsform eines Plattenwärmerohrs gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 eine Draufsicht eines Plattenwärmerohrs gemäß einer zweiten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine Schnittansicht, die ein bekanntes Plattenwärmerohr darstellt;
4 eine Draufsicht, die das bekannte Plattenwärmerohr darstellt;
5 eine teilweise aufgebrochene Draufsicht eines Plattenwärmerohrs gemäß einer Ausgestaltung der ersten und zweiten Ausführungsform;
6 eine aufgebrochene Draufsicht einer weiteren Ausgestaltung der ersten und zweiten Ausführungsform.
In 1 ist eine erste, bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Ein Plattenwärmerohr 6 umfasst zwei Platten 1-1 und 1-2 und eine flache Platte 3, die dazwischen angeordnet ist. Die Platten 1-1 und 1-2 sind aus einem Metall mit einer ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit hergestellt, wie beispielsweise Kupfer, Aluminium oder ähnliches, und sind miteinander verschweißt. Die Platte 1-1 besitzt eine Seite, die mit einer langen, schlangenartig gewundenen Ausnehmung 2 ausgebildet ist, die einen Abschnitt im Wesentlichen in einem Halbkreis mit einem dünnen Durchmesser besitzt und als ein schlangenartig gewundener Tunnel 4 mit einem kleinen Durchmesser dient, wenn sie durch die flache Platte 3 verschlossen wird. Die andere Platte 1-2 ist in gleicher Weise ausgebildet. Die lange, schlangenartig gewundene Ausnehmung 2 wird durch Schneiden mit einer numerisch gesteuerten Maschine oder durch ein Pressformverfahren erhalten. Wenn der schlangenartig gewundene Tunnel 4 mit einem vorgegebenen Arbeitsfluid in einer vorgegebenen Menge befüllt wird, erfüllt das Plattenwärmerohr 6 seine Funktion.
Wie beschrieben, ist das Plattenwärmerohr 6 mit zwei Platten 1-1, 1-2 und einer flachen Platte 3, die dazwischengefügt ist, gebildet. Eine Durchgangsöffnung 5 ist durch die flache Platte 3 hindurch angeordnet, um eine fluidmäßige Verbindung zwischen den gewundenen Tunneln 4 der Platten 1-1, 1-2 zu ermöglichen. Da sich das Arbeitsfluid innerhalb der gewundenen Tunnel 4 der Platten 1-1, 1-2 durch die Durchgangsöffnung 5, die durch die flache Platte 3 hindurch angeordnet ist, bewegen kann, kann das Wärmerohr 6 eine noch weiter vergrößerte Länge des schlangenartig gewundenen Tunnels erhalten.
In einer ähnlichen Weise zu dem bekannten Wärmerohr mit dem gewundenen Rohr mit dünnem Durchmesser wird die Eigenschaft bzw. Leistung des Plattenwärmerohrs 6 mit dem gewundenen Tunnel 4 im Verhältnis zu der Anzahl der Umkehrbögen des gewundenen Tunnels 4 verbessert. Wenn die Anzahl der Umkehrbögen des gewundenen Tunnels 4 einen vorgegebenen Wert übersteigt, wird die Hochleistungseigenschaft immer unabhängig der Anwendungsstellung erhalten. Deshalb besitzt gemäß dieser Ausführungsform, da die gewundenen Tunnel 4 der aneinandergrenzenden Platten 1-1, 1-2 fluidmäßig miteinander durch die Durchgangsöffnung 5 verbunden sind, das Plattenwärmerohr 6 eine weiterhin verbesserte Eigenschaft bzw. Leistung verglichen mit dem Plattenwärmerohr, das unabhängige, gewundene Tunnel besitzt. Weiterhin liefert das Plattenwärmerohr dieselbe Leistung an zwei Seiten davon, was zu einem Vorteil dahingehend führt, daß keine Temperaturdifferenz zwischen den zwei Seiten vorhanden ist.
Diese Ausführungsform ist nicht auf die Wärmeplattenkonstruktion beschränkt, wie sie in 1 dargestellt ist, sondern auch auf irgendeine Wärmeplattenkonstruktion anwendbar, in der die aneinandergrenzenden, gewundenen Tunnel 4 fluidmäßig miteinander durch die Durchgangsöffnung 5 verbunden werden können, die durch eine Trennwand hindurch, wie beispielsweise die flache Platte 3, angeordnet ist.
Wie die 2 zeigt, ist dort eine zweite, bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. In dieser Ausführungsform umfasst das Plattenwärmerohr 6 eine Mehrzahl von gewundenen Tunneln, wobei zwei aneinander angrenzende, schlangenartig gewundene Tunnel 4-1, 4-2 gerade Bereiche besitzen, die kreuzweise zueinander und unter rechten Winkeln angeordnet sind. In einer ähnlichen Weise zu der ersten Ausführungsform ist die Durchgangsöffnung 5 durch eine Trennwand hindurch angeordnet, wie beispielsweise die Platte, die eine fluidmäßige Verbindung zwischen den gewundenen Tunneln 4-1, 4-2 ermöglicht.
In einer ähnlichen Weise zu der Wärmeübertragung in dem Wärmerohr mit einem gewundenen Rohr mit kleinem Durchmesser wird die Wärmeübertragung in dem Wärmerohr 6 mit einem schlangenartig gewundenen Tunnel durch Zirkulation oder axiale Vibration des Arbeitsfluids durchgeführt und findet demzufolge nur in der Längsrichtung des schlangenartig gewundenen Tunnels statt. Deshalb besitzt der schlangenartig gewundene Tunnel eine unzureichende Wärmeübertragungskapazität in der Richtung, die unter rechten Winkeln die Längsrichtung des gewundenen Tunnels überquert. Als Ergebnis hiervon besitzt das Wärmerohr einen großen Temperaturgradienten in der ersteren Richtung.
Gemäß dieser Ausführungsform stellen, da die geraden Bereiche der aneinander angrenzenden, gewundenen Tunnel so angeordnet sind, um sich zueinander und unter rechten Winkeln zu kreuzen, die aneinandergrenzenden, gewundenen Tunnel eine Kompensation der Wärmekapazität zueinander sicher, wodurch eine gleichmäßige Wärmeübertragungskapazität in allen Richtungen des Wärmerohrs erhalten wird. Ein Experiment zeigt, dass gerade dann, wenn irgendeine Wärmemenge auf das vorstehende Wärmerohr an irgendeiner Stellung darauf angewandt wird, dessen gesamte Oberfläche mit derselben Temperatur mit einer sehr kleinen Temperaturunregelmäßigkeit beheizt wird. Wenn das Wärmerohr so aufgebaut ist, dass die aneinandergrenzenden, gewundenen Tunnel 4-1, 4-2 miteinander durch die Durchgangsöffnung 5 verbunden sind, wie dies in 2 dargestellt ist, wird eine noch gleichmäßigere Temperatur an der Oberfläche des Wärmerohrs mit einer gleichmäßigen Temperaturdifferenz zwischen den benachbarten Platteneinheiten erhalten.
Aufgrund der Tunnelkonstruktion, die zwischen den Platten angeordnet ist, kann das Plattenwärmerohr gemäß der vorliegenden Erfindung in demselben Querschnittsbereich der Umkehrbögen bzw. Windungen des schlangenartig gewundenen Tunnels mehrere Male soviel wie diejenigen des gewundenen Rohrs mit kleinerem Durchmesser des bekannten Wärmerohrs umfassen, wodurch eine große Verringerung in der Dicke und der Wärmewiderstandsfähigkeit vergleichen mit dem bekannten Wärmerohr ermöglicht wird, was nicht nur zu einer möglichen Verringerung in der Größe und dem Gewicht führt, sondern auch zu einer möglichen Verbesserung der Leistungsfähigkeit.
Die 5 und 6 zeigen Draufsichten, die jeweils das Plattenwärmerohr 6 in Ausgestaltungen der ersten und zweiten Ausführungsform darstellen. Der gewundene Tunnel 4 kann schleifenförmig verlaufend ausgestaltet sein, wie dies in 5 dargestellt ist, um das Plattenwärmerohr 6 des schleifenförmigen Typs zu erhalten, oder er kann nicht schleifenförmig verlaufen, wie dies in 6 dargestellt ist, um das Plattenwärmerohr 6 des nicht schleifenförmig verlaufenden Typs zu erhalten.
Das Plattenwärmerohr gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt eine stark vergrößerte Anwendbarkeit. Beispiele der Anwendung sind die folgenden:

A) Kühlplatten für einen großdimensionierten Computer, gedruckte Leiterplatten, Heizelemente, oder Wärmeübertragungsbänder für dicht befestigte Teile;
B) Thermische Diffusionsplatten für leistungsfähige, klein dimensionierte und schwierige Heizstrahlungswärmeelemente;
C) Wärmebehandlungsplatten;
D) Abnehmbare Wärmeverbindungsbänder;
E) Entfernbare Kühlplatten usw.

Weiterhin führt das Plattenwärmerohr gemäß der vorliegenden Erfindung zu einer starken Kostenverringerung verglichen mit den bekannten Plattenwärmerohren. Dies erfolgt aufgrund einer Verarbeitungsstufe, die nur zwei Verfahren umfasst, die leicht auf eine Massenproduktion und eine Automatisation anwendbar sind.

Claims

Plattenwärmerohr, mit einer ersten Platte (1-1), die eine mit einer Ausnehmung (2) ausgebildete Seite besitzt, um einen kontinuierlichen Kanal in der ersten Platte (1-1) zu bilden, wobei die Ausnehmung (2) eine Mehrzahl von geraden Bereichen besitzt, die parallel zueinander angeordnet sind, und eine Mehrzahl von Umkehrbögen aufweist, einer zweiten Platte (1-2), die eine mit einer Ausnehmung (2) ausgebildete Seite besitzt, um einen kontinuierlichen Kanal in der zweiten Platte (1-2) zu bilden, wobei die Ausnehmung (2) eine Mehrzahl von geraden Bereichen besitzt, die parallel zueinander angeordnet sind, und eine Mehrzahl von Umkehrbögen aufweist, einer dritten, flachen Platte (3), die zwischen der ersten Platte (1-1) und der zweiten Platte (1-2) angeordnet ist, wobei die Ausnehmung (2) der ersten Platte (1-1) und die Ausnehmung (2) der zweiten Platte (1-2) zu der dritten, flachen Platte 3) weisen, so dass zwei Tunnels (4) gebildet werden, in denen ein Arbeitsfluid aufgenommen ist, und einer Durchgangsöffnung (5) in der dritten Platte (3) zur Schaffung einer fluidmäßigen Verbindung zwischen den Tunnels (4).
Plattenwärmerohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnels (4) als geschlossene Schleife ausgebildet sind.
Plattenwärmerohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tunnels (4) als offene Schleifen ausgebildet sind.
Plattenwärmerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Plattenbreite von 100 mm mindestens 30 Umkehrbögen vorgesehen sind.
Plattenwärmerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Tunnel (4) der ersten Platte (1-1) zu dem Tunnel (4) der zweiten Platte (1-2) um 90° gedreht ist, so dass sich die geraden Bereiche unter einem rechten Winkel kreuzen.